Appunti di Chimica e fisiologia

SISTEMI DI AUTOREGOLAZIONE AD ANTICIPAZIONE O A FEEDFORWARD: la

regolazione si attiva in previsione di una perturbazione imminente o possibile del

parametro biologico anticipandone l’effetto. In questo meccanismo i comandi di

correzione vengono applicati in anticipo prima di misurare gli effetti reali indotti dalla

pertu rbazione. Per poter attuare un meccanismo di autoregolazione di tipo

feedforward è necessario che il sistema di controllo su cui convergono le

informazioni raccolte dal sensore sia dotato di memoria: grazie ad essa, cioè grazie

all’informazione raccolta in base alle esperienze precedenti, può essere generata

una risposta in grado di prevenire gli effetti della perturbazione.

OMEOSTASI E PLASTICITA’: L’omeostasi non deve far pensare ad un principio di

staticità dell’organismo: al contrario, gli organismi si modificano in funzione delle

informazioni e degli stimoli che ricevono dall’ambiente in cui vivono. L’omeostasi

lascia spazio alla plasticità: questo termine richiama la proprietà di certi materiali

che si adattano alle deformazioni che gli vengono imposte, in contrapposizione ai

corpi dotati di elasticità che invece tornano allo stato iniziale non appena viene

rimossa la causa che li ha deformati. Quando compare un adattamento plastico, il

sistema coinvolto si allontana dall’omeostasi, o meglio la plasticità comporta la

ridefinizione di un nuovo set point per un dato parametro.

Esempi di plasticità degli organismi sono: la neuroplasticità, che può avere luogo a

differenti livelli; la competenza immunologica, che viene acquisita quando il sistema

immunitario impara a riconoscere un antigene con cui è venuto a contatto; la

resistenza agli alcolici, che compare con la sintesi di particolari enzimi epatici capaci

di metabolizzare l’etanolo…

Molecole della vita

LA FISIOLOGIA CELLULARE: La fisiologia cellulare indaga i meccanismi di funzionamento

e i processi vitali che hanno luogo a livello della singola cellula. Nella fisiologia cellulare la

comunicazione cellulare,lo scambio e trasferimento di informazione,energia e materia tra

l’ambiente interno delle cellule e il liquido extracellulare ricopre un ruolo di primo piano;

poiché questi scambi avvengono attraverso la membrana cellulare diventa chiaro che per la

fisiologia cellulare la membrana cellulare ricopre un ruolo fondamentale. Per affrontare la

fisiologia cellulare bisogna considerare prima i livelli di organizzazione biologica che

sottendono a livello di organizzazione cellulare.

GLI ELEMENTI COSTITUTIVI DELLA MATERIA VIVENTE: Dei 94 elementi naturali gli

esseri viventi ne usano un numero limitatissimo per costruire e far funzionare il proprio

organismo; questi elementi necessari per la vita vengono definiti “essenziali” e vengono

distinti in:

- elementi plastici(~98% della massa dell’organismo):partecipano alla costituzione

delle componenti strutturali del vivente; si distinguono in elementi plastici primari

(~96%) cioè H, O, C, N, e elementi plastici secondari, cioè S, P;

- elementi minerali (~2%): sono presenti per lo più in forma di sali inorganici disciolti e

dissociati in ioni

- oligoelementi (~0,01-0,001%): sono presenti solo in tracce, svolgono tuttavia funzioni

+ 2+ 2+ − 2+

fondamentali per cui sono spesso insostituibili; sono , , , , .

Perché la biologia si fonda su questi elementi? La presenza di questi elementi chimici nella

materia vivente non è una semplice conseguenza del caso. Essa è da ricondursi alle

particolari proprietà che rendono questi elementi insostituibili nei processi chimici che

caratterizzano la vita sulla Terra. Queste proprietà sono:

1. Facilità nel formare legami covalenti tra loro: un legame covalente si forma

quando due atomi condividono una o più coppie di elettroni per raggiungere una

configurazione elettronica stabile con il raggiungimento dell’ottetto sull’orbitale più

esterno. Un legame covalente è puro quando la nuvola elettronica è perfettamente

condivisa tra due atomi con la stessa elettronegatività.Gli elementi essenziali per la

vita hanno una configurazione elettronica dei loro orbitali che li rende adatti a formare

numerosi tipi di legame covalente tra loro formando un gran numero di composti

stabili.Il legame covalente garantisce la stabilità delle molecole perché è un legame

chimico forte che richiede grandi quantità di energia per essere rotto; alle

temperature a cui esiste la vita, i legami covalenti delle molecole biologiche sono

molto stabili. Forza e stabilità del legame covalente garantiscono anche stabilità della

struttura 3D della molecola: per una data coppia di elementi, la lunghezza del legame

è costante; per un dato atomo in una molecola in genere l’angolo di ogni suo legame

covalente relativamente agli altri legami è sempre lo stesso, indipendentemente dal

tipo di molecola che contiene l’atomo. L’orientazione spaziale dei legami covalenti

conferisce alle molecole la loro geometria tridimensionale e, a sua volta, la forma

delle molecole contribuisce a definire la funzione biologica. Allo stesso tempo, la

stabilità del legame covalente non impedisce che le molecole possano cambiare

forma: gli atomi infatti possono ruotare attorno ad un legame covalente. Questo è

importante per le macromolecole di interesse biologico; ad es. quando si formano

lunghe catene di atomi di carbonio, questi possono ruotare e disporsi in molti modi,

permettendo a queste macromolecole di modificare la propria struttura.

2. Gli atomi degli elementi essenziali sono relativamente piccoli: atomi più piccoli

formano legami covalenti più forti; le molecole che ne risultano sono generalmente

più stabili e più adatte a costituire le strutture fondamentali di un organismo

(l’elemento più grande è il cesio).

3. Gli atomi degli elementi essenziali di formano un’ampia varietà di

configurazioni molecolari: ciò è dovuto al fatto che la chimica del sistema vivente è

una chimica organica nel senso di una chimica basata sull’atomo del carbonio C,

considerato il più versatile tra gli elementi chimici. Gli atomi di C possono formare

legami covalenti semplici, doppi e tripli: gli atomi di C possono formare catene

carboniose lineari, cicliche e poli-cicliche. Inoltre possono formare molecole che. pur

essendo formate dagli stessi atomi, presentano struttura diversa e quindi funzione

diversa. Gli atomi degli elementi essenziali si combinano tra loro a formare

un’enorme varietà di molecole fondamentali per la vita: queste molecole

comprendono acqua, lipidi, proteine, glucidi, acidi nucleici.

L’ACQUA: è la molecola fondamentale per la vita, perché allo stato liquido costituisce la

condizione ambientale più idonea per lo svolgimento delle reazioni biochimiche che

sostengono la vita.La variabilità del contenuto di tra gli individui è principalmente

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funzione della quantità di tessuto adiposo: il contenuto di del tessuto adiposo è

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inferiore a quella di altri tessuti; quantità maggiori di tessuto adiposo riducono la frazione di

nel corpo rispetto al peso totale. La % d’ nel corpo varia anche con l’età. Dal punto

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di vista funzionale, il corpo presenta 2 compartimenti di liquidi corporei: il liquido

extracellulare (LEC) all’esterno delle cellule che può essere suddiviso ulteriormente in

plasma (liquido nei vasi) e liquido interstiziale (liquido attorno alle cellule); il liquido

intracellulare (LIC) all’interno delle cellule. I due compartimenti sono separati tra loro dalla

membrana cellulare.

L’ corporea totale (42L) è distribuita tra i due compartimenti principali:

2

- il compartimento del LIC è lo scomparto più grande e contiene ~⅔ dell’ corporea

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totale (28L, 40% del peso corporeo);

- il compartimento del LEC contiene circa ⅓ dell’ corporea totale (14L) (20% del

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peso corporeo). Il LEC è ulteriormente suddiviso in liquido interstiziale e plasma, in

alcune condizioni patologiche, liquido aggiuntivo può accumularsi in quello che viene

definito un terzo spazio, che viene considerato parte del LEC. La molecola di ha

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una struttura speciale che conferisce proprietà chimiche uniche; è costituita da 2H

legati dall’atomo di O tramite un legame covalente polare. Dal punto di vista sterico,

la struttura molecolare è assimilabile ad un tetraedro, con l’atomo di O al centro, due

atomi di H ai due dei vertici e due doppietti elettronici non condivisi. Poiché

+ −

l’elettronegatività dell’O è molto maggiore di quella dell’ , O attrae a sé gli . La

− +

molecola di quindi presenta una parziale carica su O e una parziale carica

δ δ

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su H. Pertanto, la molecola di è una molecola polare che si comporta come un

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dipolo elettrico in grado di formare legami ad idrogeno; queste caratteristiche

chimiche spiegano alcune delle peculiari caratteristiche dell’ . In elettrostatica, un

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dipolo elettrico è un sistema composto da due cariche elettriche uguali e di segno

opposto e separate da una distanza costante nel tempo. Immerso in un campo

elettrico, i dipoli elettrici si orientano tutti secondo i poli del campo elettrico.

Il momento dipolare è la misura della polarità di una molecola: la struttura asimmetrica della

molecola d’acqua ha un momento di dipolo diverso da 0 il cui valore è 1.85D (Debye).

L’essere un dipolo elettrico attribuisce proprietà chimico-fisiche particolari alla molecola di

; inoltre l’essere un dipolo elettrico definisce le capacità solventi dell’ per le diverse

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sostanze. L’ ha ottime proprietà solventi per i sali che dissocia in ioni. In soluzione

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acquosa, gli ioni (ma anche tutte le molecole idrosolubili) sono sempre avvolti da un guscio

idrico chiamato alone di solvatazione. L’ ha buone proprietà solventi per molecole

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organiche polari (zuccheri, alcoli); l’ non riesce a dissociare queste molecole in ioni,

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perché sono formate da legami covalenti polari, ma le circonda interagendo con le cariche

parziali della molecola e formando aloni di solvatazione.

L’ ha scarse proprietà solventi per molecole organiche apolari (oli, grasse); l’ non

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riesce a d